Направленное бурение: принципы и технологии

Введение

Практика бурения невертикальных скважин

Направленное бурение (или наклонно-направленное бурение) – это практика бурения невертикальных скважин. Оно подразделяется на четыре основных направления: направленное бурение на нефтяных месторождениях, направленное бурение для прокладки коммуникаций, горизонтально-направленное бурение (ГНБ) и метод "из пласта в пласт" (SIS), при котором горизонтально пересекается вертикальная скважина для извлечения метана угольных пластов.

История

Многие факторы позволили этому комплексу технологий стать продуктивным. Вероятно, первым требованием стало осознание того, что нефтяные или водяные скважины не обязательно должны быть вертикальными. Это осознание пришло довольно медленно и не привлекло внимания нефтяной промышленности до конца 1920-х годов, когда возникло несколько судебных исков, утверждавших, что скважины, пробуренные с буровой установки на одном участке, пересекли границу и проникли в пласт на соседнем участке. Первоначально принимались косвенные доказательства, такие как изменения дебита в других скважинах, но эти случаи стимулировали разработку малогабаритных инструментов, способных проводить обследование скважин в процессе бурения. Горизонтальные направленные буровые установки развиваются в направлении увеличения масштаба, микроминиатюризации, механической автоматизации, работы в твердых породах, увеличения длины и глубины, а также ориентированного контролируемого бурения. Измерение наклона ствола скважины (его отклонения от вертикали) сравнительно просто и требует лишь маятника. Измерение азимута (направления относительно географической сетки, в котором ствол скважины отклоняется от вертикали) оказалось более сложной задачей. В определенных условиях можно было использовать магнитные поля, но на них влияли металлические конструкции внутри скважин, а также металлические элементы бурового оборудования. Следующим шагом стало усовершенствование небольших гироскопических компасов компанией Sperry, которая производила аналогичные компасы для аэронавигации. Sperry выполнила эту работу по контракту с Sun Oil (которая была вовлечена в судебный процесс, как описано выше), и была создана дочерняя компания "Sperry Sun", бренд которой существует и по сей день, будучи поглощенным Halliburton. Для определения положения в любой точке ствола скважины измеряются три компонента: глубина точки по ходу ствола (измеренная глубина), наклон в этой точке и магнитный азимут в этой точке. Совокупность этих трех компонентов называется "геодезической съемкой". Для отслеживания прогресса и местоположения ствола скважины необходима серия последовательных геодезических съемок. Предыдущий опыт роторного бурения установил ряд принципов конфигурации донного оборудования ("донная сборка" или "BHA"), которые могли приводить к "отклонению ствола скважины" (то есть, первоначальные случайные отклонения от вертикали могли усиливаться). Опыт работы с противоположными эффектами также дал ранним специалистам по направленному бурению ("НБ") принципы проектирования и бурения BHA, которые помогали приблизить отклонившийся ствол к вертикали. В 1934 году Х. Джон Истман и Роман У. Хайнс из Лонг-Бич, Калифорния, стали пионерами в направленном бурении, когда они вместе с Джорджем Фейлингом из Энида, Оклахома, спасли нефтяное месторождение Конро в Техасе. Фейлинг недавно запатентовал переносную буровую установку. Он основал свою компанию в 1931 году, соединив буровую установку с грузовиком и отбором мощности. Это новшество позволило быстро пробурить серию наклонных скважин. Эта возможность быстро пробурить несколько облегчающих скважин и снизить огромное газовое давление была критически важна для тушения пожара в Конро. В статье в журнале Popular Science Monthly за май 1934 года говорилось: "Лишь небольшое количество людей в мире обладает странной способностью заставить долото, вращающееся на километр под землей на конце стальной бурильной трубы, изгибаться или огибать острый угол, чтобы достичь желаемой цели". Eastman Whipstock, Inc. стала крупнейшей в мире компанией по направленному бурению в 1973 году. В совокупности эти геодезические инструменты и конструкции BHA сделали направленное бурение возможным, но оно воспринималось как сложное искусство. Следующим крупным прорывом стало развитие в 1970-х годах донных двигателей (также известных как грязевые двигатели, приводимые в действие гидравлической энергией бурового раствора, циркулирующего по бурильной колонне). Они позволяли долоту продолжать вращаться на режущей кромке в забое, в то время как большая часть бурильной колонны оставалась неподвижной. Изогнутая секция трубы ("изогнутая муфта") между неподвижной бурильной колонной и верхом двигателя позволяла изменять направление ствола скважины без необходимости извлекать всю бурильную колонну и устанавливать другой коленчатый инструмент. В сочетании с разработкой инструментов измерения параметров при бурении (использующих телеметрию по пульсациям грязи, сетевые или проводные трубы или электромагнитную (ЭМ) телеметрию, которая позволяет инструментам в скважине передавать данные о направлении на поверхность без прерывания буровых операций), направленное бурение стало проще. Некоторые профили невозможно пробурить, вращая бурильную колонну. Направленное бурение с донным двигателем требует периодической остановки вращения бурильной колонны и "скольжения" трубы по каналу, пока двигатель вырезает изогнутую траекторию. "Скольжение" может быть затруднено в некоторых формациях, и оно почти всегда медленнее и, следовательно, дороже, чем бурение при вращении трубы, поэтому возможность управлять долотом при вращении бурильной колонны является желательной. Несколько компаний разработали инструменты, обеспечивающие направленное управление при вращении. Эти инструменты называются системами управления вращением (RSS). Технология RSS сделала возможным доступ и направленное управление в ранее недоступных или неуправляемых формациях.

Many prerequisites enabled this suite of technologies to become productive. Probably, the first requirement was the realization that oil wells, or water wells, do not necessarily need to be vertical. This realization was quite slow, and did not really grasp the attention of the oil industry until the late 1920s when there were several lawsuits alleging that wells drilled from a rig on one property had crossed the boundary and were penetrating a reservoir on an adjacent property. Initially, proxy evidence such as production changes in other wells was accepted, but such cases fueled the development of small diameter tools capable of surveying wells during drilling. Horizontal directional drill rigs are developing towards large scale, micro miniaturization, mechanical automation, hard stratum working, exceeding length and depth oriented monitored drilling. Measuring the inclination of a wellbore (its deviation from the vertical) is comparatively simple, requiring only a pendulum. Measuring the azimuth (direction with respect to the geographic grid in which the wellbore was running from the vertical), however, was more difficult. In certain circumstances, magnetic fields could be used, but would be influenced by metalwork used inside wellbores, as well as the metalwork used in drilling equipment. The next advance was in the modification of small gyroscopic compasses by the Sperry Corporation, which was making similar compasses for aeronautical navigation. Sperry did this under contract to Sun Oil (which was involved in a lawsuit as described above), and a spin off company "Sperry Sun" was formed, which brand continues to this day, absorbed into Halliburton. Three components are measured at any given point in a wellbore in order to determine its position: the depth of the point along the course of the borehole (measured depth), the inclination at the point, and the magnetic azimuth at the point. These three components combined are referred to as a "survey". A series of consecutive surveys are needed to track the progress and location of a wellbore. Prior experience with rotary drilling had established several principles for the configuration of drilling equipment down hole ("bottom hole assembly" or "BHA") that would be prone to "drilling crooked hole" (i. e., initial accidental deviations from the vertical would be increased). Counter experience had also given early directional drillers ("DD's") principles of BHA design and drilling practice that would help bring a crooked hole nearer the vertical. In 1934, H. John Eastman and Roman W. Hines of Long Beach, California, became pioneers in directional drilling when they and George Failing of Enid, Oklahoma, saved the Conroe, Texas, oil field. Failing had recently patented a portable drilling truck. He had started his company in 1931 when he mated a drilling rig to a truck and a power take off assembly. The innovation allowed rapid drilling of a series of slanted wells. This capacity to quickly drill multiple relief wells and relieve the enormous gas pressure was critical to extinguishing the Conroe fire. In a May, 1934, Popular Science Monthly article, it was stated that "Only a handful of men in the world have the strange power to make a bit, rotating a mile below ground at the end of a steel drill pipe, snake its way in a curve or around a dog leg angle, to reach a desired objective." Eastman Whipstock, Inc., would become the world's largest directional company in 1973. Combined, these survey tools and BHA designs made directional drilling possible, but it was perceived as arcane. The next major advance was in the 1970s, when downhole drilling motors (aka mud motors, driven by the hydraulic power of drilling mud circulated down the drill string) became common. These allowed the drill bit to continue rotating at the cutting face at the bottom of the hole, while most of the drill pipe was held stationary. A piece of bent pipe (a "bent sub") between the stationary drill pipe and the top of the motor allowed the direction of the wellbore to be changed without needing to pull all the drill pipe out and place another whipstock. Coupled with the development of measurement while drilling tools (using mud pulse telemetry, networked or wired pipe or electromagnetism (EM) telemetry, which allows tools down hole to send directional data back to the surface without disturbing drilling operations), directional drilling became easier. Certain profiles cannot be easily drilled while the drill pipe is rotating. Drilling directionally with a downhole motor requires occasionally stopping rotation of the drill pipe and "sliding" the pipe through the channel as the motor cuts a curved path. "Sliding" can be difficult in some formations, and it is almost always slower and therefore more expensive than drilling while the pipe is rotating, so the ability to steer the bit while the drill pipe is rotating is desirable. Several companies have developed tools which allow directional control while rotating. These tools are referred to as rotary steerable systems (RSS). RSS technology has made access and directional control possible in previously inaccessible or uncontrollable formations.

Недостатки

До появления современных долот с двигателями и более точных инструментов для измерения наклона и азимута ствола скважины, направленное и горизонтальное бурение было значительно медленнее вертикального из-за необходимости регулярных остановок для проведения трудоемких геофизических исследований и более низкой скорости проходки. Эти недостатки уменьшились со временем, по мере повышения эффективности долот с двигателями и внедрения полунепрерывного геофизического контроля. Однако сохраняется разница в эксплуатационных затратах: для скважин с наклоном менее 40 градусов инструменты для проведения корректировочных или ремонтных работ можно спускать на кабеле под действием силы тяжести. Для скважин с большим наклоном требуется мобилизация более дорогостоящего оборудования для подачи инструментов в ствол. Другим недостатком высоконаклонных скважин была меньшая надежность предотвращения притока песка, что требовало дополнительных усилий. Этот недостаток также уменьшился, и при надлежащем планировании песчано-гравийной фильтрации приток песка можно эффективно контролировать.

Кража нефти

В 1990 году Ирак обвинил Кувейт в краже иракской нефти посредством наклонно-направленного бурения. Организация Объединенных Наций переопределила границу после войны в Персидском заливе 1991 года, которая положила конец семимесячной иракской оккупации Кувейта. В рамках восстановления было пробурено 11 новых нефтяных скважин в дополнение к уже существующим 600. Некоторые фермерские хозяйства и старая военно-морская база, ранее находившиеся на иракской территории, отошли к Кувейту. В середине двадцатого века в огромном нефтяном месторождении Восточного Техаса произошел скандал, связанный с наклонно-направленным бурением.

Новые технологии

В период с 1985 по 1993 год Морская лаборатория гражданского строительства (NCEL) (ныне Центр инженерных услуг военно-морских объектов (NFESC)) в Порт-Хуэнеме, штат Калифорния, разработала технологии управляемого горизонтального бурения. Эти технологии позволяют достигать глубины 10 000–15 000 футов (3000–4500 м) и могут достигать 25 000 футов (7500 м) при благоприятных условиях.

Исследования скважин

Специализированные инструменты определяют отклонение скважины от вертикали (наклон) и ее направленность (азимут). Эти данные необходимы для корректировки траектории. Геодезические измерения проводятся через регулярные интервалы (например, каждые 30–100 метров) для отслеживания хода бурения скважины в реальном времени. В критических участках инструменты измерения во время бурения (MWD) обеспечивают непрерывные измерения в скважине для оперативной корректировки направления при необходимости. MWD использует гироскопы, магнитометры и акселерометры для определения наклона и азимута скважины непосредственно в процессе бурения.

Контроль траектории

Буровой донный инструмент (БДИ): Конфигурация бурового оборудования вблизи долота (БДИ) существенно влияет на направление бурения. БДИ могут быть сконструированы для обеспечения прямолинейного бурения или создания отклонений. Скважинные двигатели: Специализированные грязевые двигатели вращают только долото, позволяя контролируемо изменять направление бурения, в то время как основная часть бурильной колонны остается неподвижной. Роторно-управляемые системы (РУС): Передовая технология РУС обеспечивает управление даже при вращении всей бурильной колонны, повышая эффективность и точность управления.